Генетический нано-инструментарий для создания новых биоматериалов

Магнитные бактерии могут вскоре использоваться для производства новых биоматериалов. Команда микробиологов Университета Байройта под руководством профессора Дирка Шулера разработала модульную систему для генетического перепрограммирования бактерий, превращая организмы в клеточные фабрики по производству многофункциональных магнитных наночастиц, сочетающих различные полезные функции и свойства. Благодаря своим исключительным магнитным свойствам и хорошей биосовместимости эти наночастицы могут стать перспективным новым материалом в биомедицинской и биотехнологической областях. Ученые представили свои результаты в журнале Small.

От магнетосом к универсальным наночастицам

Магнитные бактерии вида Magnetospirillum gryphiswaldense ориентируют свое движение по магнитному полю Земли. Внутри клеток магнитные наночастицы, магнетосомы, выстроены в цепочку, образуя внутриклеточную стрелку компаса. Каждая магнетосома состоит из магнитного ядра оксида железа, окруженного мембраной. Помимо липидов, эта мембрана содержит разнообразные белки. Микробиологам из Байройта удалось присоединить биохимически активные функциональные группы, происходящие от различных чужеродных организмов, к этим белкам.

Метод начинается на уровне генов, ответственных за биосинтез мембранных белков. Эти бактериальные гены сливаются с чужеродными генами из других организмов, контролирующими производство соответствующих функциональных белков. После реинтеграции генов в геном перепрограммированные бактерии производят магнетосомы, на поверхности которых постоянно закреплены эти чужеродные белки.

В исследовании к мембранным белкам были присоединены четыре различные функциональные группы (чужеродных белка):

• Фермент глюкозооксидаза из плесневого гриба, уже используемый биотехнологически, например, как «сахарный сенсор» при диабете.
• Зеленый флуоресцентный белок из медузы.
• Продуцирующий краситель фермент из бактерии Escherichia coli, активность которого легко измерить.
• Фрагмент антитела из ламы (альпаки), использованный как универсальный соединитель.

Таким образом, все эти свойства, включая превосходную намагниченность магнетосом, генетически закодированы в бактериях.

«Используя эту генетическую стратегию, мы перепрограммировали бактерии на производство магнетосом, которые светятся зеленым под УФ-излучением и одновременно демонстрируют новые биокаталитические функции. Различные биохимические функции могут быть точно установлены на их поверхности. Тем самым магнетосомы из живых бактерий превращаются в многофункциональные наночастицы с удивительными функциями и свойствами. Более того, частицы остаются полностью функциональными при выделении из бактерий — что легко выполнить, используя их присущие магнитные свойства», — говорит профессор Дирк Шулер.

Генетический инструментарий для применения в биомедицине и биотехнологии

Функционализация магнетосом никоим образом не ограничивается установленными группами. Эти белки могут быть легко заменены на другие функции, что обеспечивает высокоуниверсальную платформу. Генетическое перепрограммирование открывает широкий спектр возможностей для дизайна поверхности магнетосом. Оно закладывает основу для «генетического инструментария», позволяющего производить магнитные наночастицы по индивидуальному заказу, сочетающие различные полезные функции. Каждая из этих частиц имеет размер от трех до пяти нанометров.

«Наш подход генной инженерии высокоселективен и точен по сравнению, например, с химическими методами сшивания, которые не столь эффективны и не обеспечивают такой высокой степени контроля», — объясняет микробиолог д-р Франк Микколит, первый автор исследования.

Он указывает на решающее преимущество новых биоматериалов: «Предыдущие исследования показывают, что магнитные наночастицы, вероятно, не вредны для клеточных культур. Хорошая биосовместимость — важная предпосылка для будущего применения частиц в биомедицине, например, в качестве контрастных агентов в методах магнитной визуализации или магнитных сенсоров в диагностике. В будущем подобные частицы могут помочь обнаруживать и уничтожать опухолевые клетки. Биореакторные системы — еще одна область применения. Магнитные наночастицы, оснащенные миниатюрными катализаторами, были бы для этого высоко подходящими и позволили бы осуществлять сложные биохимические процессы».

«Существует огромный потенциал применения для наночастиц, несущих на поверхности различные функциональные группы, особенно в областях биотехнологии и биомедицины. Магнитные бактерии теперь могут служить платформой для универсального нано-инструментария, вдохновляя научное творчество в области синтетической биологии. Это инициирует дальнейшие интересные исследовательские подходы», — добавляет микробиолог Кларисса Ланцлот, соавтор исследования.